Патент на изобретение №2201843
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) КЕРАМИЧЕСКАЯ ФОРМА ДЛЯ ЛИТЬЯ ИЗДЕЛИЙ С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ
(57) Реферат: Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья изделий, применяемых преимущественно в качестве лопаток ГТД и ГТУ. Керамическая форма состоит из заливочной чаши, литниковой полости, рабочей полости и стартовой полости. В нижней части стартовой полости установлен по меньшей мере один теплопроводный элемент, выходящий наружу за пределы формы. Этот элемент выполнен из материала с высокой температуропроводностью. При погружении в металлическую ванну теплопроводные элементы интенсивно охлаждаются и обеспечивают зарождение множества мелких равноосных зерен в сплаве отливки. За счет высокого осевого теплоотвода в изделии формируется направленная и монокристаллическая структура. Полученные изделия обладают оптимальным комплексом свойств. 5 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья изделий с направленной и монокристальной структурой, применяемых преимущественно в качестве лопаток ГТД и ГТУ. Известна конструкция керамической формы для литья изделий с направленной и монокристальной структурой, приведена керамическая форма, состоящая из заливочной части, литниковой полости, рабочей полости, стартовой полости. Особенность конструкции такой формы заключается в том, что она не имеет дна, и заливаемый в форму металл начинает кристаллизоваться на водоохлаждаемом медном холодильнике (по методу Бриджмена). При этом зарождается и растет большое количество зерен. При получении изделий с направленной структурой формируются столбчатые зерна с ориентацией [001] за счет конкурентного роста зерен в стартовой зоне [ЕР 0899039]. Известна керамическая форма, которая помимо общепринятой конструкции, дополнительно содержит кристаллоотборник, обеспечивающий отбор одного зерна с ориентацией [001] из множества зарождаемых на поверхности водоохлаждаемого холодильника зерен, которые испытывают конкурентный рост [пат. США 5592984]. Недостатком известного решения является то, что в таковой форме при литье изделий по методу Бриджмена невозможно достигнуть высоких градиентов температур на фронте роста кристаллов и полностью реализовать преимущества направленной кристаллизации за счет управления размером структурных составляющих сплава. Получаемая направленная структура является крупно дендритной с грубыми включениями карбидов и фаз эвтектического происхождения. Изделия, полученные в этой керамической форме, имеют большой брак и низкий выход годного по макроструктуре. Наиболее близкой по технологической сущности и достигаемому положительному эффекту является конструкция формы, используемая для литья деталей с направленной и монокристальной структурой на установках с жидкометаллическим охладителем, в качестве которого может применяться расплавленное олово, алюминий и другие [ пат. РФ 2067916]. Керамическая форма включает заливочную чашу, литниковую полость, рабочую полость, формирующую лопатку, стартовую полость с размещенными в ней затравками. Для получения отливок лопаток турбин с комбинированной структурой затравочные полости расположены на двух уровнях стартовой полости. Причем дно стартовой полости закрыто клеющей керамической композицией. Описанная конструкция формы имеет три существенных недостатка: 1) при направленной кристаллизации невозможно достигнуть необходимого переохлаждения в стартовой полости после заливки расплава металла в форму из-за большого теплового сопротивления дна формы; 2) в стартовой полости создаются условия для практически одинакового теплоотвода как в осевом, так и в диагональном направлениях, что снижает стабильность процесса зарождения и роста столбчатых зерен; 3) при монокристальном литье деталей с ориентацией кристаллов в направлении [001] необходимо использовать затравки, процесс изготовления которых является дорогостоящим и трудоемким. Все вышеперечисленные недостатки не позволяют получать лопатки с высоким выходом годного по структуре, особенно с кристаллографической ориентацией [001]. Технической задачей настоящего изобретения является получение качественных изделий ответственного назначения с направленной и монокристальной структурой, обладающих оптимальным комплексом свойств, полученных на установках с жидкометаллическим холодильником. Для решения поставленной задачи предложена керамическая форма, состоящая из заливочной чаши, литниковой полости, рабочей полости, формирующей изделие, и стартовой полости, в нижней части которой установлен по меньшей мере один теплопроводный элемент, выходящий наружу за пределы формы. Теплопроводный элемент выполнен из материала с высокой температуропроводностью, такого как, например, керамика из оксидов, нитридов, карбидов, боридов, силицидов, металлокерамика, тугоплавкие металлы и их сплавы, сплавы для затравок, графит, медь или их сочетание. В случае, если теплопроводных элементов более одного, то они соединяются между собой пористым керамическим материалом с низкой теплопроводностью. При получении изделий с монокристальной структурой и ориентацией [001] форма дополнительно содержит кристаллоотборник, а если требуется получить монокристальную структуру с ориентацией, отличной от [001], используют теплопроводный элемент, выполненный из сплава для затравки. Как правило, на поверхности жидкометаллического охладителя всегда присутствуют оксидные плены, частицы керамического материала оболочковых форм, которые обладают тепловым сопротивлением. Наряду с этим, в установках для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем для создания максимального температурного градиента используют плавающий теплоизолирующий экран в виде кусочков графитового войлока, пустотелых керамических шариков и т. д. При погружении керамической формы в кристаллизатор происходит захват донной частью формы плавающих оксидных плен, частиц и т.д. и экранирование теплопроводных элементов. В этих условиях снижается эффективность охлаждения теплопроводных элементов и стабильность множественного зарождения зерен в стартовой зоне. Предлагаемая конструкция керамической формы с теплопроводными элементами, выходящими наружу за пределы формы, исключает указанные выше недостатки. При погружении формы в кристаллизатор, выходящие наружу за пределы формы теплопроводные элементы, либо разрушают оксидные плены на поверхности жидкометаллического охладителя, либо смещают в сторону плавающие частицы и кусочки теплоизолирующих материалов. В случае захвата торцевой частью теплопроводных элементов частиц или плен, теплоотвод осуществляется через боковые поверхности выступающих за пределы формы теплопроводных элементов. На чертеже представлена конструкция керамической формы с направленной (1а) и монокристальной структурой (1б) где 1 – заливочная чаша; 2 – литниковая полость; 3 – рабочая полость; 4 – стартовая полость; 5 – теплопроводный элемент; 6 – пористая керамика; 7 – кристаллотборник. Изобретение проверялось при отливке изделий с направленной и монокристальной структурами с ориентацией [001], [111]. Пример 1. Получение лопатки из жаропрочного сплава на никелевой основе с направленной кристаллизацией. Форма предложенной конструкции изготавливалась по общепринятой технологии путем нанесения на модель керамического покрытия, сушки, удаления керамической массы, прокалки керамической формы и установки теплопроводных элементов в нижней части стартовой полости. Расплавленный металл заливали в заливочную чашу (1) керамической формы через литниковую полость (2) и рабочую полость (3). Металл попадал в стартовую полость (4), заполнял ее, после чего начинали направленную кристаллизацию путем перемещения формы из зоны нагрева в зону жидкометаллического охладителя до полной кристаллизации отливки. Расплавленный металл, соприкасаясь с теплопроводными элементами (5), выполненными из нитрида бора, интенсивно охлаждался, в результате на поверхности теплопроводных элементов зарождалось множество мелких равноосных зерен. За счет высокого осевого теплоотвода формировалась столбчатая структура в стартовой полости с преимущественным направлением роста дендритов [001], что позволило сформировать стабильные условия для роста множества зерен в рабочей полости и тем самым обеспечить направленную тонкостолбчатую структуру отливки. Полученное изделие характеризовалось качественной направленной структурой с отсутствием паразитных зерен на пере. Пример 2. Получение лопатки и жаропрочного Ni-сплава с монокристальной структурой с кристаллографической ориентацией [001]. Расплавленный металл заливали в заливочную чашу (1) керамической формы. Металл, проходя через литниковую полость (2), рабочую полость (3), кристаллоотборник (7) в стартовую полость (4), заполнял ее, затем начинали направленную кристаллизацию аналогично примеру 1. Расплавленный металл, соприкасаясь с теплопроводным элементом, выполненным из вольфрама, интенсивно охлаждался, в результате на поверхности теплопроводного элемента зарождалось множество мелких равноосных зерен. За счет высокого осевого теплоотвода в стартовой полости формировалась столбчатая структура с преимущественным направлением роста дендритов [001]. Сформированная в стартовой полости мелкостолбчатая структура прорастала в кристаллотборник, где осуществлялся отбор одного зерна с ориентацией [001]. Полученное изделие характеризовалось наличием одного монокристалла в пере лопатки с кристаллографической ориентацией [001]. Пример 3. Получение лопатки из жаропрочного Ni-сплава с монокристальной структурой с кристаллографической ориентацией [111]. Получение лопатки осуществляли аналогично примеру 2. Однако в этом случае теплопроводный элемент (5) был изготовлен из затравочного сплава Ni-W. Аналогичную лопатку получили без использования кристаллоотборника, а только с теплопроводным элементом, выполненным из затравочного сплава Ni-W. Изделие характеризовалось наличием одного монокристалла в пере лопатки с кристаллографической ориентацией [111] . Таким образом, применение предлагаемой керамической формы, позволило получить качественное изделие ответственного назначения с направленной столбчатой и монокристальной структурой, упростить технологию изготовления монокристальных лопаток с ориентацией [001] за счет исключения трудоемкого и дорогостоящего процесса получения монокристальных затравок. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
